《數控編程與操作》課件第1章

第1章數控機床簡介1.1數控機床概述

1.2數控機床的發(fā)展

思考與訓練

1.1數控機床概述

1.1.1數控機床的概念及組成

1．數控機床的基本概念

1)數控(NumericalControl，NC)

數控是采用數字化信息對機床的運動及其加工過程進行控制的方法。由于現(xiàn)代數控機床都采用計算機來控制，因此一般稱為計算機數控(ComputerizedNumericalControl，CNC)。

2)數控機床(ComputerizedNumericalControlMachineTool)數控機床是指裝備了計算機數控系統(tǒng)的機床，簡稱CNC機床。

2．數控機床加工零件的過程

數控機床加工零件的過程如圖1-1所示，主要包括以下內容：圖1-1數控機床加工零件的過程①根據零件加工圖樣進行工藝分析，確定加工方案、工藝參數和位移數據。

②用規(guī)定的程序代碼和格式編寫零件加工程序單，或用自動編程軟件直接生成零件的加工程序文件。

③程序的輸入或傳輸。由手工編寫的程序，可以通過數控機床的操作面板輸入；由編程軟件生成的程序，可以通過計算機的串行通信接口直接傳輸到機床控制單元(MCU)。

④利用輸入或傳輸到機床控制單元的加工程序進行刀具路徑模擬、試運行等。

⑤通過對機床的正確操作，運行程序，完成零件的加工。

3．數控機床的組成

數控機床主要由輸入/輸出裝置、CNC裝置(即計算機數控裝置)、伺服系統(tǒng)、檢測反饋裝置和機床本體等組成，如圖1-2所示。圖1-2數控機床的組成

1)輸入/輸出裝置

在數控機床上加工零件時，首先要根據零件圖紙上的零件形狀、尺寸和技術條件要求確定加工工藝，然后編制出加工程序。程序通過輸入裝置，輸送給機床數控系統(tǒng)，機床內存中的零件加工程序可以通過輸出裝置傳出。輸入/輸出裝置是機床與外部設備的接口，常用輸入裝置有軟盤驅動器、RS232C串行通信口、MDI(手動數據輸入)方式等。

2)?CNC裝置

CNC裝置是數控機床的核心，它接受輸入裝置送來的數字信息，經過控制軟件和邏輯電路進行譯碼、運算和邏輯處理后，將各種指令信息輸出給伺服系統(tǒng)，使設備按規(guī)定的動作執(zhí)行?，F(xiàn)在的CNC裝置通常由一臺通用或專用微型計算機構成。

3)?伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是數控機床的執(zhí)行部分，其作用是把來自CNC裝置的脈沖信號轉換成機床的運動，使機床移動部件精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴格的相對運動，最后加工出符合圖紙要求的零件。每一個脈沖信號使機床移動部件產生的位移量稱為脈沖當量(也叫最小設定單位)，常用的脈沖當量為0.001毫米/脈沖。每個進給運動的執(zhí)行部件都有相應的伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)的精度及動態(tài)響應決定了數控機床加工零件的表面質量和生產率。伺服系統(tǒng)一般包括驅動裝置和執(zhí)行機構兩大部分，常用的執(zhí)行機構有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機等。

4)機床本體

機床本體是數控機床的機械結構實體，主要包括主運動部件、進給運動部件(如工作臺、刀架等)、支承部件(如床身、立柱等)，還有冷卻、潤滑、轉位部件，如夾緊、換刀機械手等輔助裝置。與普通機床相比，數控機床的整體布局、外觀造型、傳動機構、工具系統(tǒng)及操作機構等方面都發(fā)生了很大的變化，主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)數控機床采用高性能主傳動及主軸部件，具有傳遞功率大、剛度高、抗振性好及熱變形小等優(yōu)點。

(2)數控機床的進給傳動采用高效傳動件，如滾珠絲杠副、直線滾動導軌副等，具有傳動鏈短、結構簡單、傳動精度高等特點。

(3)數控機床具有完善的刀具自動交換和管理系統(tǒng)。

(4)加工中心一般具有工件自動交換、工件夾緊和放松機構。

(5)機床本身具有很高的動、靜剛度。

(6)采用全封閉罩殼。由于數控機床是自動完成加工的，因此為了操作安全，一般采用移動門結構的全封閉罩殼，對機床的加工部件進行全封閉。半閉環(huán)、閉環(huán)數控機床還帶有檢測反饋裝置，其作用是對機床的實際運動速度、方向、位移量以及加工狀態(tài)進行檢測，并把檢測結果轉化為電信號反饋給CNC裝置。檢測反饋裝置主要有感應同步器、光柵、編碼器、磁柵、激光測距儀等。1.1.2數控機床的種類及應用

隨著科學技術的飛速發(fā)展，數控機床的種類和規(guī)格愈來愈多。根據數控機床的功能和組成，一般可以有以下四種分類方法。

1．按工藝用途分類

數控機床是在普通機床的基礎上發(fā)展起來的，各種類型的數控機床基本上均起源于同類型的普通機床，其按工藝用途可分為如下幾類。

1)金屬切削類數控機床

金屬切削類數控機床指采用車、銑、鏜、鉸、鉆、磨、刨等各種切削工藝的數控機床，包括數控車床、數控鉆床、數控銑床、數控磨床、數控鏜床以及加工中心等。這類數控機床發(fā)展最早，目前種類繁多，功能差異也較大。這里需要特別強調的是加工中心，也稱為可自動換刀的數控機床，它帶有一個刀庫和自動換刀系統(tǒng)，刀庫可容納16～100把刀具。圖1-3、圖1-4所示分別為立式加工中心、臥式加工中心的外觀圖。立式加工中心適宜加工高度方向尺寸相對較小的工件，一般情況下，除底部不能加工外，其余五個面都可以用不同的刀具進行輪廓和表面加工。臥式加工中心適宜加工有多個加工面的大型零件或高度方向尺寸較大的零件。圖1-3立式加工中心圖1-4臥式加工中心

2)金屬成型類數控機床

金屬成型類數控機床指采用擠、沖、壓、拉等成型工藝的數控機床，包括數控折彎機、數控組合沖床、數控彎管機、數控壓力機等。這類機床起步晚，但目前發(fā)展很快。

3)數控特種加工機床

數控特種加工機床包括數控電火花加工機床、數控線切割機床、數控火焰切割機床、數控激光切割機床等。圖1-5、圖1-6所示分別為數控電火花成型機床和數控線切割機床。

4)其他類型數控機床

其他類型數控機床包括數控雕刻機、快速成型機等。圖1-5數控電火花成型機床圖1-6數控線切割機床

2．按機床運動的控制軌跡分類

1)點位控制數控機床

點位控制數控機床要求機床的移動部件從某一位置移動到另一位置時，定位要準確，對于兩位置之間的運動軌跡不作嚴格要求，在移動過程中刀具不進行切削加工，如圖1-7所示。為了實現(xiàn)既快又準的定位，點位控制數控機床常采用先快速移動，然后慢速趨近定位點的方法來保證定位精度。

具有點位控制功能的數控機床有數控鉆床、數控沖床、數控鏜床、數控點焊機等。圖1-8所示為數控鉆床。圖1-7點位控制數控機床加工示意圖圖1-8數控鉆床

2)直線控制數控機床

直線控制數控機床的特點是除了控制點與點之間的準確定位外，還要保證兩點之間移動的軌跡是一條與機床坐標軸平行的直線，并且在兩點之間移動時要進行切削加工，因此對移動的速度也要進行控制，如圖1-9所示。

具有直線控制功能的數控機床有比較簡單的數控車床、數控銑床、數控磨床等，單純用于直線控制的數控機床不多見。圖1-9直線控制數控機床加工示意圖

3)輪廓控制數控機床

輪廓控制又稱連續(xù)軌跡控制，這類數控機床能夠控制兩個或兩個以上的運動坐標的位移及速度，因而可以進行曲線或曲面的加工，如圖1-10所示。

具有輪廓控制功能的數控機床有數控車床、數控銑床、加工中心等。圖1-10輪廓控制數控機床加工示意圖

3．按伺服控制的方式分類

1)開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)是指不帶反饋的控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)沒有位置反饋元件，通常用功率步進電動機或電液伺服電動機作為執(zhí)行機構。其輸入的數據經過CNC裝置運算后發(fā)出指令脈沖，通過環(huán)形分配器和驅動電路，使步進電動機或電液伺服電機轉過一個步距角，再經過減速齒輪帶動絲杠旋轉，最后轉換為工作臺的直線移動，如圖1-11所示。移動部件的移動速度和位移量是由輸入脈沖的頻率和脈沖數所決定的。

開環(huán)控制系統(tǒng)具有結構簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、調試容易、成本低等優(yōu)點。因為系統(tǒng)對移動部件的誤差沒有進行補償和校正，所以精度低。一般適用于經濟型數控機床和舊機床數控化改造。圖1-11開環(huán)控制系統(tǒng)

2)半閉環(huán)控制系統(tǒng)

如圖1-12所示，半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)控制系統(tǒng)的絲杠上裝有角位移檢測裝置(如感應同步器和光電編碼器等)，通過檢測絲杠的轉角間接地檢測移動部件的位移，然后反饋到CNC裝置中的比較環(huán)節(jié)。由于慣性較大的機床移動部件不包括在其檢測范圍之內，因而稱做半閉環(huán)控制系統(tǒng)。

在這種系統(tǒng)中，因為閉環(huán)回路內不包括機械傳動環(huán)節(jié)，所以可獲得穩(wěn)定的控制特性。機械傳動環(huán)節(jié)的誤差，可用補償的辦法消除，因此仍可獲得較高的精度。中檔數控機床廣泛采用半閉環(huán)數控系統(tǒng)。圖1-12半閉環(huán)控制系統(tǒng)

3)閉環(huán)控制系統(tǒng)

如圖1-13所示，閉環(huán)控制系統(tǒng)是在機床移動部件上裝有位置檢測裝置(如直線位移檢測器等)，將測量的結果直接反饋到CNC裝置中的比較環(huán)節(jié)，然后與輸入的指令位移進行比較，用偏差進行控制，使移動部件按照實際的要求運動，最終實現(xiàn)精確定位。因為該系統(tǒng)把機床工作臺納入了位置控制環(huán)，所以稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以消除包括工作臺傳動鏈在內的運動誤差，因而定位精度高、調節(jié)速度快。但由于該系統(tǒng)受進給絲杠的拉壓剛度、扭轉剛度、摩擦阻尼特性和間隙等非線性因素的影響，給調試工作造成較大的困難。如果各種參數匹配不當，將會引起系統(tǒng)振蕩，從而造成控制不穩(wěn)定，影響定位精度?？梢婇]環(huán)控制系統(tǒng)復雜并且成本高，故適用于精度要求很高的數控機床，如精密數控鏜銑床、超精密數控車床等。圖1-13閉環(huán)控制系統(tǒng)

4．按數控系統(tǒng)的功能水平分類

按數控系統(tǒng)的功能水平不同，數控機床可分為低、中、高三檔。低、中、高檔的界線是相對的，不同時期的劃分標準有所不同。就目前的發(fā)展水平來看，數控系統(tǒng)可以根據表1-1所列的一些功能和指標進行區(qū)分。其中，中、高檔一般稱為全功能數控系統(tǒng)或標準型數控系統(tǒng)。在我國還有經濟型數控系統(tǒng)的提法。經濟型數控系統(tǒng)屬于低檔數控系統(tǒng)，是由單片機和步進電機組成的數控系統(tǒng)，或其他功能簡單、價格低的數控系統(tǒng)。經濟型數控系統(tǒng)主要用于車床、線切割機床以及舊機床數控化改造等。表1-1不同檔次數控系統(tǒng)的功能及指標1.1.3數控機床的加工特點及適用范圍

1．數控機床的加工特點

數控機床與普通機床相比，具有以下特點：

(1)可以加工具有復雜型面的工件。在數控機床上加工零件，零件的形狀主要取決于加工程序。因此，只要能編寫出程序，無論工件多么復雜都能加工。例如，采用五軸聯(lián)動的數控機床，就能加工螺旋槳的復雜空間曲面。

(2)加工精度高，質量穩(wěn)定。數控機床本身的精度比普通機床高，一般數控機床的定位精度為±0.01mm，重復定位精度為±0.005mm，在加工過程中操作人員不參與操作，因此工件的加工精度全部由數控機床保證，消除了操作者的人為誤差；又因為數控加工采用工序集中，減少了工件多次裝夾對加工精度的影響，所以工件的精度高，尺寸一致性好，質量穩(wěn)定。

(3)生產效率高。數控機床可有效地縮短零件的加工時間和輔助時間。數控機床主軸轉速和進給量的調節(jié)范圍大，允許機床進行大切削量的強力切削，從而有效地節(jié)省了加工時間。數控機床移動部件在定位中均采用了加速和減速措施，并可選用很高的空行程運動速度，縮短了定位和非切削時間。對于復雜的零件可以采用計算機自動編程，而零件又往往安裝在簡單的定位夾緊裝置中，從而縮短了生產準備時間。尤其在使用加工中心時，工件只需一次裝夾就能完成多道工序的連續(xù)加工，減少了半成品的周轉時間，生產效率明顯提高。此外，數控機床能進行重復性操作，尺寸一致性好，減少了次品率和檢驗時間。

(4)操作者勞動條件得到改善。使用數控機床加工零件時，機床操作者的勞動趨于智力型工作，其主要任務是程序編輯、程序輸入、裝卸零件、刀具準備、加工狀態(tài)的觀測、零件的檢驗等，從而使勞動強度極大降低。另外，數控機床一般是封閉式加工，既清潔，又安全。

(5)有利于生產管理現(xiàn)代化。使用數控機床加工零件，可預先精確估算出零件的加工時間，所使用的刀具、夾具可進行規(guī)范化、現(xiàn)代化的管理。數控機床使用的數字信號與標準代碼為控制信息，易于實現(xiàn)加工信息的標準化，目前已與計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)有機地結合起來，是現(xiàn)代集成制造技術的基礎。

2．數控機床的適用范圍

從數控機床的加工特點可以看出，數控機床加工的主要對象有：

(1)多品種、單件小批量生產的零件或新產品試制中的零件；

(2)幾何形狀復雜的零件；

(3)精度及表面粗糙度要求高的零件；

(4)加工過程中需要進行多工序加工的零件；

(5)用普通機床加工時，需要昂貴工裝設備(刀具、夾具和模具)的零件。由此可見，數控機床和普通機床都有各自的應用范圍，如圖1-14所示。圖中橫軸表示零件的復雜程度，縱軸表示每批的生產件數，由此圖可以看出數控機床的使用范圍很廣。

圖1-15所示為在各種機床上加工零件時的批量數和綜合費用的關系。圖1-14各種機床的使用范圍圖1-15各種機床加工零件時的批量數與綜合費用的關系

1.2數控機床的發(fā)展

1.2.1數控機床的發(fā)展歷程

社會需求是推動生產力發(fā)展最有力的因素。20世紀40年代以來，由于航空航天技術的飛速發(fā)展，對于各種飛行器的加工提出了更高的要求。飛行器的零件大多形狀非常復雜，材料多為難加工的合金，用傳統(tǒng)的機床和工藝方法進行加工，不能保證精度，也很難提高生產效率。為了解決零件復雜形狀表面的加工問題，1952年，美國帕森斯公司和麻省理工學院成功研制了世界上第一臺數控機床。半個世紀以來，數控技術得到了迅猛的發(fā)展，加工精度和生產效率不斷提高。數控機床的發(fā)展至今已經歷了兩個階段和六個時代。

1)數控(NC)階段(1952年～1970年)

早期的計算機運算速度低，不能適應機床實時控制的要求，人們只好用數字邏輯電路“搭”成一臺機床專用計算機作為數控系統(tǒng)，這就是硬件連接數控，簡稱數控(NC)。隨著電子元器件的發(fā)展，這個階段經歷了三代，即1952年的第一代——電子管數控機床，1959年的第二代——晶體管數控機床，1965年的第三代——集成電路數控機床。

2)計算機數控(CNC)階段(1970年～現(xiàn)在)

1970年，通用小型計算機已出現(xiàn)并投入成批生產，人們將它移植過來作為數控系統(tǒng)的核心部件，從此進入計算機數控階段。這個階段也經歷了三代，即1970年的第四代——小型計算機數控機床，1974年的第五代——微型計算機數控系統(tǒng)，1990年的第六代——基于PC的數控機床。

隨著微電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，數控技術也隨之不斷更新，發(fā)展非常迅速，幾乎每5年更新?lián)Q代一次，其在制造領域的加工優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)出來。1.2.2數控機床的發(fā)展趨勢

數控機床的出現(xiàn)不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數控技術的發(fā)展和應用領域的擴大，它對影響國計民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。

當前世界上數控機床的發(fā)展呈現(xiàn)如下趨勢。

1)高速度、高精度化

速度和精度是數控機床的兩個重要技術指標，它直接關系到加工效率和產品質量。對于數控機床，高速化首先要求計算機數控系統(tǒng)在讀入加工指令數據后，能高速度處理并計算出伺服電機的位移量，同時要求伺服電機高速度地做出反應。此外，要實現(xiàn)生產系統(tǒng)的高速化，還必須謀求使主軸轉速、進給率、刀具交換、托盤交換等各種關鍵部件也要實現(xiàn)高速化。提高數控機床的加工精度，一般通過減少數控系統(tǒng)的誤差和采用補償技術來達到。在減少數控系統(tǒng)誤差方面，一般采取三種方法：①提高數控系統(tǒng)的分辨率，以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進給；②提高位置檢測精度；③位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制。在采用補償技術方面，除采用間隙補償、絲杠螺距補償和刀具補償等技術外，還采用了熱變形補償技術。

2)多功能化

一機多能的數控機床，可以最大限度地提高設備的利用率。如數控加工中心配有機械手和刀具庫，工件一經裝夾，數控系統(tǒng)就能控制機床自動地更換刀具，連續(xù)對工件的各個加工面自動地完成銑削、鏜削、鉸孔、擴孔及攻螺紋等多工序加工，從而避免多次裝夾所造成的定位誤差。這樣減少了設備臺數、工夾具和操作人員，節(jié)省了占地面積和加工輔助時間。為了提高效率，新型數控機床在控制系統(tǒng)和機床結構上也有所改革，如采取多系統(tǒng)混合控制方式，用不同的切削方式(車、鉆、銑、攻螺紋等)同時加工零件的不同部位等。現(xiàn)代數控系統(tǒng)控制軸數多達15軸，同時聯(lián)動的軸數已達到6軸。

3)智能化

數控機床應用高技術的重要目標是智能化。智能化技術主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)引進自適應控制技術。自適應控制技術(AdaptiveControl，AC)的目的是要求在隨機的加工過程中，通過自動調節(jié)加工過程中所測得的工作狀態(tài)、特性，按照給定的評價指標自動校正自身的工作參數，以達到或接近最佳工作狀態(tài)。通常，數控機床是按照預先編好的程序進行控制的，但隨機因素，如毛坯余量和硬度的不均勻、刀具的磨損等難以預測。為了確保加工質量，勢必在編程時采用較保守的切削用量，從而降低了加工效率。AC系統(tǒng)可對機床主軸轉矩、切削力、切削溫度、刀具磨損等參數值進行自動測量，并由CPU進行比較運算后發(fā)出修改主軸轉速和進給量大小的信號，確保AC處于最佳的切削用量狀態(tài)，從而在保證加工質量條件下使加工成本最低或生產率最高。AC系統(tǒng)主要在宇航等工業(yè)部門用于特種材料的加工。

(2)附加人機會話自動編程功能。建立切削用量專家系統(tǒng)和示教系統(tǒng)，從而達到提高編程效率和降低對編程人員技術水平的要求。

(3)具有設備故障自診斷功能。數控系統(tǒng)出了故障，控制系統(tǒng)能夠進行自診斷，并自動采取排除故障的措施，以適應長時間無人操作環(huán)境的要求。

4)小型化

數控系統(tǒng)體積小，便于人們將機、電裝置揉合為一體。日本新開發(fā)的FS16和FS18都采用了三維安裝方法，使電子元器件得以高密度地安裝，縮小了系統(tǒng)的占有空間。此外，它們還采用了新型彩色液晶薄型顯示器，使數控系統(tǒng)進一步小型化，這樣可更方便地將它們裝到機械設備上。

5)高可靠性

數控系統(tǒng)比較貴重，用戶期望增大投資效益，因此要求設備具有高可靠性。特別是對在長時間無人操作環(huán)境下運行的數控系統(tǒng)，可靠性已成為人們最為關注的問題。提高可靠性，通?？刹扇∪缦麓胧?/p>

(1)提高線路集成度。采用大規(guī)模或超大規(guī)模的集成電路、專用芯片及混合式集成電路，以減少元器件的數量，精簡外部連線和減低功耗。

(2)建立由設計、試制到生產的一整套質量保證體系。例如，采取防電源干擾，輸入/輸出光電隔離；使數控系統(tǒng)模塊化、通用化及標準化，以便于組織批量生產及維修；在安裝制造時注意嚴格篩選元器件；對系統(tǒng)可靠性進行全面的檢查考核等。通過這些手段，保證產品質量。

(3)增強故障自診斷功能和保護功能。由于元器件失效、編程及人為操作錯誤等原因，數控機床會出現(xiàn)各種故障。數控機床一般具有故障自診斷功能，能夠對硬件和軟件進行故障診斷，自動顯示出故障的部位及類型，以便于快速排除故障。新型數控機床還具有故障預報功能、自恢復功能、監(jiān)控與保護功能。例如，有的系統(tǒng)設有刀具破損檢測、行程范圍保護和斷電保護等功能，以避免損壞機床及報廢工件。由于采取了各種有效的可靠性措施，現(xiàn)代數控機床的平均無故障時間可達到10000～36000h。1.2.3數控新技術應用介紹

1．柔性制造系統(tǒng)(FMS)

柔性制造系統(tǒng)是一個由計算機集中管理和控制的制造系統(tǒng)。它具有多個獨立的工位和一套物料存儲、運輸系統(tǒng)，用于制造某一族群的多種零部件。FMS的構成如圖1-16所示。

1)加工子系統(tǒng)

加工子系統(tǒng)主要由數控機床、加工中心等設備組成。加工子系統(tǒng)的功能是，以任意順序自動加工各種工件，并能自動更換工件和刀具。圖1-16柔性制造系統(tǒng)的構成

2)物流子系統(tǒng)

FMS的物流主要是指工件、刀具、夾具、切屑等的流動。物流子系統(tǒng)的功能是，從FMS的進口到出口，實現(xiàn)對這些物料的自動識別、存儲、分配、輸送、交換和管理。

3)信息流子系統(tǒng)

信息流子系統(tǒng)是實現(xiàn)FMS加工過程、物料流動過程的控制、協(xié)調、調度、監(jiān)測和管理的系統(tǒng)。它是FMS的神經中樞和命脈，也是各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系紐帶。

FMS適于加工形狀復雜、精度適中、批量中等的零件。因為柔性制造系統(tǒng)中的所有設備均由計算機控制，所以，改變加工對象時只需改變控制程序即可，這使得系統(tǒng)的柔性很大，特別適應于市場動態(tài)多變的需求。

2．柔性制造單元(FMC)

柔性制造單元被認為是小型的FMS，它通常包括1～2臺加工中心，再配以托盤庫、自動托盤交換裝置和小型刀庫。圖1-17所示為一典型的FMC示意圖。

因為FMC比FMS的復雜程度低、規(guī)模小、投資少、可靠性高，同時FMC還便于連成功能可以擴展的FMS，所以FMC是FMS的發(fā)展方向，是一種很有前途的自動化制造形式。圖1-17柔性制造單元

3．計算機集成制造系統(tǒng)

計算機集成制造系統(tǒng)(ComputerIntergratedManufacturingSystem，CIMS)以數控機床為基本單元，綜合利用了CAD(計算機輔助設計)、CAE(計算機輔助工程分析)、CAPP(計算機輔助工藝設計)、CAM(計算機輔助制造)、FMS及工廠自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了無人管理的機械加工。

CIMS的構成可以分以下幾個部分。

1)設計過程

設計過程主要包括CAD、CAE、CAPP、CAM等環(huán)節(jié)。CAD包含設計過程中各個環(huán)節(jié)的數據，包括管理數據和檢測數據，還包括產品設計開發(fā)的專家系統(tǒng)及設計中的仿真軟件等。CAE主要包含對零件的機械應力、熱應力等進行有限元分析及優(yōu)化設計等內容；CAPP是根據CAD的數據自動制定合理的加工工藝過程；CAM是根據CAD模型按CAPP要求生成刀具軌跡文件，并經后置處理轉換成NC代碼。CIMS中最基本的是CAD/CAE/CAPP/CAM集成。

2)加工制造過程

加工制造過程主要包括加工設備(數控機床)、工件搬運工具及自動倉庫、檢測設備、工具管理單元、裝配單元等。

3)計算機輔助生產管理

制定年、月、周、日的生產計劃，平衡生產能力以及進行財務、倉庫等各種管理，確定經營方向(包括市場預測及制定長期發(fā)展戰(zhàn)略計劃)。

4)集成方法及技術

系統(tǒng)的集成方法必須有先進理論為指導，如系統(tǒng)理論、成組技術、集成技術、計算機網絡等。

CIMS的布局如圖1-18所示。圖1-18CIMS車間布局

4．虛擬制造技術

虛擬制造技術是以計算機支持的仿真技術和虛擬現(xiàn)實技術為前提，對企業(yè)的全部生產、經營活動進行建模，并在計算機上“虛擬”地運行產品設計、加工制造、計劃制定、生產調度、經營管理、成本財務管理、質量管理甚至市場營銷等在內的企業(yè)全部功能，在求得系統(tǒng)的最佳運行參數后，再據此實現(xiàn)企業(yè)的物理運行。虛擬制造技術包括設計過程仿真、加工過程仿真。虛擬制造技術的關鍵是系統(tǒng)的建模技術，它將現(xiàn)實物理系統(tǒng)映射為計算機環(huán)境下的虛擬物理系統(tǒng)，現(xiàn)實信息系統(tǒng)映射為計算機環(huán)境下的虛擬信息系統(tǒng)。計算機環(huán)境下的虛擬物理系統(tǒng)與虛擬信息系統(tǒng)組成虛擬制造系統(tǒng)。虛擬制造系統(tǒng)不消耗能源和其他資源(計算機耗電除外)，所進行的過程是虛擬過程，所生產的產品是可視的虛擬產品或數字產品。

虛擬制造系統(tǒng)的體系結構如圖1-19所示。圖1-19虛擬制造系統(tǒng)的體系結構由圖1-19可知，通過系統(tǒng)建模工具，首先將現(xiàn)實物理系統(tǒng)和現(xiàn)實信息系統(tǒng)映射為計算機環(huán)境下的虛擬物理系統(tǒng)和虛擬信息系統(tǒng)，然后利用仿真機和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對設計過程及結果進行仿真、工藝過程仿真和企業(yè)運行狀態(tài)仿真，最后產品是滿足用戶要求的高質量數字產品和企業(yè)運行的最佳參數，據此最佳參數調整企業(yè)的運行過程，使其始終處于最佳運行狀態(tài)，最后生產出高質量的物理產品投放市場。

5．快速原型法

快速原型法又稱快速成形法，是國外20世紀80年代中、后期發(fā)展起來的一種新技術，它與虛擬制造技術一起，被稱為未來制造業(yè)的兩大支柱技術。

1)快速原型法基本原理

快速原型法是綜合運用CAD技術、數控技術、激光加工技術和材料技術，實現(xiàn)從零件設計到三維實體原型制造一體化的系統(tǒng)技術。它采用軟件離散化——材料堆積的原理實現(xiàn)零件的成形，如圖1-20所示。圖1-20快速原型制造原理利用快速原型法實現(xiàn)零件成形的具體過程如下：

(1)采用CAD軟件設計出零件的三維曲面或實體模型。

(2)根據工藝要求，按照一定的厚度在某坐標方向，如Z向，對生成的CAD模型進行切面分層，生成各個截面的二維平面信息。

(3)對層面信息進行工藝處理，選擇加工參數，系統(tǒng)自動生成刀具移動軌跡和數控加工代碼。

(4)對加工過程進行仿真，確認數控代碼的正確性。

(5)利用計算機數控裝置精確控制激光束或其他工具的運動，在當前工作層(二維)上采用輪廓掃描，加工出適當的截面形狀。

(6)鋪上一層新的成形材料，進行下一次的加工，直至整個零件加工完畢。

可以看出，快速成形過程是由三維轉換成二維(軟件離散化)，再由二維轉換成三維(材料堆積)的工作過程。

快速原型法不僅可以用于原始設計中快速生成零件實物，也可用來快速復制實物(包括放大、縮小、修改)。

2)快速原型技術的主要工藝方法

(1)光固化立體成形制造法(LSL法)。LSL法是以各類樹脂為成形材料，以氦—鎘激光器為能源，以樹脂受熱固化為特征的快速成形方法。

(2)實體分層制造法(LOM法)。LOM法是以片材(如紙片、塑料薄膜或復合材料)為材料，利用CO2激光器作為能源，用激光束切割片材的邊界，形成某一層的輪廓，各層間的粘接利用加熱、加壓的方法，最后形成零件的形狀。該方法取材廣泛，成本低。

(3)選擇性激光燒結制造法(SLS法)。SLS法是采用各種粉末(金屬、陶瓷、蠟粉、塑料等)為材料，利用滾子鋪粉，用CO2高功率激光器對粉末進行加熱直到其燒結成塊。利用該方法可以加工出能直接使用的金屬件。

(4)熔融沉積制造法(FDM法)。FDM法是采用蠟絲為原料，利用電加熱方式將蠟絲熔化成蠟液，蠟液由噴嘴噴到指定的位置固定，一層層地加工出零件。該方法污染小，材料可以回收。

3)快速原型法的特點

快速原型法主要有以下幾個特點：

(1)適合于形狀復雜的、不規(guī)則零件的加工。

(2)減少了對熟練技術工人的需求。

(3)沒有或極少有下腳料，是一種環(huán)保型的制造技術。

(4)成功地解決了CAD中三維造型“看得見，摸不著”的問題。

(5)系統(tǒng)柔性高，只需修改CAD模型就可生成不同形狀的零件。

(6)技術集成，設計制造一體化。

(7)具有廣泛的材料適應性。

(8)不需要專門的工裝夾具和模具，大大縮短了新產品試制時間。

因此，快速原型法主要適用于新產品開發(fā)、快速單件及小批量零件制造、形狀復雜零件的制造、模具設計與制造及難加工材料零件的加工制造。

6．網絡化制造

網絡化制造技術是將網絡技術和制造技術(重點是先進制造技術)相結合的所有相關技術和研究領域的總稱，是經濟全球化和信息革命時代的必然產物。它涉及到制造業(yè)的各種制造經營活動和產品生產周期全過程。“基于網絡”是它相對其他制造技術的主要特征，該特征表明了網絡的基礎作用和支撐作用。通過網絡化制造系統(tǒng)，制造企業(yè)將利用Internet進行產品的協(xié)同設計和制造。通過Internet，企業(yè)將與顧客直接接觸，顧客將參與產品設計，或直接下訂單給企業(yè)進行定制生產，企業(yè)將產品直接銷售給顧客。由于Internet無所不在，市場全球化和制造全球化將是企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分；在Internet上傳遞信息具有快捷性，及制造環(huán)境變化的激烈性，企業(yè)間的合作越來越頻繁，企業(yè)的資源將得到更加充分和合理的利用；企業(yè)內的信息和知識將高度集成和共享，企業(yè)的管理模式將發(fā)生很大變化。因此，網絡化制造將成為制造企業(yè)在21世紀的重要制造戰(zhàn)略。

網絡化制造技術包含了制造系統(tǒng)的敏捷基礎設施網絡、CAM網絡、網絡化制造模式下的CAPP技術、企業(yè)集成網絡等關鍵技術。

7．并聯(lián)機床

并聯(lián)機床(ParallelMachineTools)，又稱并聯(lián)結構機床(ParallelStructuredMachineTools)、虛擬軸機床(VirtualAxisMachineTools)，也曾被稱為六條腿機床、六足蟲(Hexapods)，如圖1-21所示。它是并聯(lián)機器人機構與機床結合的產物，是空間機構學、機械制造、數控技術、計算機軟硬技術和CAD/CAM技術高度結合的高科技產品。并聯(lián)機床克服了傳統(tǒng)機床串聯(lián)機構中刀具只能沿固定導軌進給、刀具作業(yè)自由度偏低、設備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷，可實現(xiàn)多坐標聯(lián)動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復雜特種零件的加工需要。自其1994年在美國芝加哥機床展上首次面世，即被譽為是“21世紀的機床”，成為機床家族中最有生命力的新成員。圖1-21并聯(lián)機床的運動仿真模擬圖與傳統(tǒng)串聯(lián)式機床相比，并聯(lián)機床具有如下特點：

(1)結構簡單、價格低。機床機械零部件數目較串聯(lián)構造平臺大幅減少，并聯(lián)機床主要由滾珠絲杠、虎克鉸、球鉸、伺服電機等通用組件組成，這些通用組件可由專門廠家生產，容易組裝和搬運，因而機床的制造和庫存成本比相同功能的傳統(tǒng)機床低得多。

(2)剛性高。因為并聯(lián)機床的結構負荷流線短，而負荷分解的拉、壓力由六只連桿同時承受，所以并聯(lián)機床的剛性高。

(3)加工速度高，慣性低。如果結構所承受的力會改變方向，兩力構件將會是最節(jié)省材料的結構，而并聯(lián)機床的移動件重量減至最低且同時由六個致動器驅動，因此并聯(lián)機床很容易實現(xiàn)高速化，且具有低慣性。

(4)加工精度高。并聯(lián)機床的六個可伸縮桿的桿長都單獨對刀具的位置和姿態(tài)起作用，因而不存在傳統(tǒng)機床(即串聯(lián)機床)的幾何誤差累積和放大的現(xiàn)象，甚至還有平均化效果；并且它擁有熱對稱性結構設計，因此熱變形較小。故它具有高精度的特點。

此外，并聯(lián)機床還具有功能多、靈活性強的特點。

思?考?與?訓?練

一、選擇題(請將正確答案的序號填寫在括號內)

1．數控機床采用數字化信號對機床的()進行控制。

(A)運動 (B)加工過程

(C)運動和加工過程 (D)無正確答案

2．按照機床運動的控制軌跡分類，加工中心屬于()。

(A)點位控制 (B)直線控制

(C)輪廓控制 (D)遠程控制

3．加工精度高、()、自動化程度高、勞動強度低、生產效率高等是數控機床加工的特點。

(A)加工輪廓簡單、生產批量又特別大的零件

(B)對加工對象的適應性強

(C)裝夾困難或必須依靠人工找正、定位才能保證其加工精度的單件零件

(D)適于加工余量特別大、材質及余量都不均勻的坯件

4．加工中心的基本功能及性能包括()。

(A)高度自動化 (B)大功率和高精度

(C)高速度及高可靠性 (D)?A、B、C項均正確

5．數控機床的組成部分是()。

(A)硬件、軟件、機床、程序

(B)?I/O設備、CNC裝置、伺服系統(tǒng)、機床本體及反饋裝置

(C)?CNC裝置、主軸驅動、主機及輔助設備

(D)?I/O設備、CNC裝置、控制軟件、主機及輔助設備

6．世界上第一臺數控機床是()年研制出來的。

(A)?1930 (B)?1947 (C)?1952 (D)?1958

7．目前數控機床的加工精度和速度主要取決于()。

(A)?CPU